電氣化鐵路對(duì)沿線電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響研究

商文穎,梁 毅,凌立平

(東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006)

對(duì)供電電網(wǎng)來說,電氣化鐵路負(fù)荷狀態(tài)極其惡劣,它使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)電能質(zhì)量惡化并造成電能巨大浪費(fèi),同時(shí)也導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)使機(jī)車牽引力下降,從而降低整個(gè)運(yùn)輸線路的運(yùn)輸能力,總結(jié)起來電氣化鐵路對(duì)供電系統(tǒng)的影響存在4個(gè)方面的問題:諧波;三相不平衡 (即負(fù)序電流的影響);功率因數(shù)低;電壓波動(dòng)大[1]。

本文以秦沈電氣化鐵路為例,對(duì)電氣化鐵路引起諧波及負(fù)序?qū)﹄娋W(wǎng)的影響進(jìn)行研究。以昌圖牽引站及由昌太線送出的太陽山風(fēng)電場(chǎng)為例,分析電氣化鐵路對(duì)其同一并網(wǎng)點(diǎn)風(fēng)電機(jī)組的影響。

1 秦沈電氣化鐵路簡介

秦沈電氣化鐵路采用兩相式供電的接線形式,每站設(shè)等容量的變壓器,由2條220 kV兩相線路直接供電,取線電壓,變壓器變比為220 kV/27.5 kV。同一個(gè)牽引變電所取相同相別的兩相線路,整個(gè)供電區(qū)域不同牽引變電所取的線路相別是均勻分布的,以保證電網(wǎng)負(fù)荷的均衡。正常方式時(shí),線路變壓器組一路運(yùn)行,另一路備用,接線路變壓器組方式實(shí)現(xiàn)備自投。牽引站內(nèi)不設(shè)220 kV母線,27.5 kV側(cè)母線為母線分段接線,母線上裝設(shè)2組并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置補(bǔ)償無功,補(bǔ)償后功率因數(shù)可達(dá)0.9以上。

2 諧波分析

2.1 電氣化鐵路諧波特點(diǎn)[2]

a. 單相獨(dú)立性。我國鐵路供電系統(tǒng)均采用兩相供電制,但兩相負(fù)荷相關(guān)性很小,通常認(rèn)為兩臂負(fù)荷是獨(dú)立的。

b. 隨機(jī)波動(dòng)性。牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流隨基波負(fù)荷劇烈運(yùn)動(dòng),且范圍很大。

c. 相位廣泛分布。電氣化鐵路牽引負(fù)荷諧波向量可在復(fù)平面四個(gè)象限上廣泛分布。

d. 單相整流負(fù)荷在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)只產(chǎn)生奇次諧波,只在涌流中含有偶次諧波。

2.2 諧波電流分析

電氣化鐵路牽引負(fù)荷諧波由相控整流型電力機(jī)車產(chǎn)生,含有豐富的諧波,屬于諧波電流源。韶山9型電力機(jī)車 (SS9)、和諧號(hào)CRH5型電動(dòng)車組單機(jī)、和諧號(hào)CRH5型電動(dòng)車組雙機(jī)各次諧波電流含量百分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 運(yùn)行機(jī)車各次諧波電流含量百分?jǐn)?shù)

按最大列車數(shù) (95%)5列計(jì)算,以下6種工況下電氣化鐵路產(chǎn)生的各次諧波電流如表2所示。

表2 不同工況電氣化鐵路產(chǎn)生各次諧波電流

對(duì)應(yīng)6種工況注入220 kV系統(tǒng)的各次諧波電流情況如表3所示。

表3 對(duì)應(yīng)6種工況注入220 kV系統(tǒng)各次諧波電流

2.3 諧波電壓分析

本文按國際提供的工程公式近似計(jì)算第h次諧波電壓含有率[3]。計(jì)算公式如下:

式中 UN——電網(wǎng)的標(biāo)稱電壓,kV;

Sk——公共連接點(diǎn)的三相短路容量,MVA;

Ih——第 h次諧波電流,A。

進(jìn)一步計(jì)算諧波電壓含量:

式中:Uh為第h次諧波電壓 (方均根值)。

電壓總諧波畸變率:

式中:U1為基波電壓 (方均根值)。

由諧波電流含量近似計(jì)算的各系統(tǒng)連接點(diǎn)諧波電壓總諧波畸變率見表4。

表4 各種工況公共連接點(diǎn)220 kV母線諧波電壓總畸變率

3 負(fù)序電流分析[4]

電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序干擾程度取決于負(fù)序容量占系統(tǒng)短路容量的比例。單相牽引負(fù)荷的負(fù)序容量與牽引負(fù)荷本身的視在功率相等。供電計(jì)算與負(fù)序分析中,本文依據(jù)95%概率的負(fù)荷水平分別計(jì)算和校驗(yàn)。電網(wǎng)運(yùn)行在較小方式時(shí),等效阻抗較大,電流源的負(fù)序干擾產(chǎn)生的負(fù)序電壓分量就較顯著,因而負(fù)序干擾最為嚴(yán)重的情況對(duì)應(yīng)系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的短路容量。增容后秦沈電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的影響情況如表5所示。

表5 增容后秦沈電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的影響[5]情況

4 電壓波動(dòng)情況分析

根據(jù)國標(biāo) GB/T15543—2008[6],接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶,引起該點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值一般為2%,短時(shí)不得超過4%。按最小短路容量計(jì)算電氣化鐵路牽引負(fù)荷在公共連接點(diǎn)處的三相電壓不平衡度如表6所示。

表6 公共連接點(diǎn)處三相不平衡度 %

5 對(duì)沿線供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理

a. 由于電氣化鐵路電流中產(chǎn)生諧波分量、負(fù)序電流可導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損壞等問題,接有電氣化鐵路負(fù)荷的系統(tǒng)站不宜接帶大容量同步、異步電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)。

b. 應(yīng)在為電氣化鐵路供電的220 kV牽引線路上加裝專門的負(fù)序電流監(jiān)視儀、諧波記錄儀,以便對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)控,及時(shí)了解并掌握負(fù)序電流及諧波的情況。

c. 對(duì)于有諧波超標(biāo)情況的牽引站,應(yīng)適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置,合理地設(shè)計(jì)電容器容量,適當(dāng)對(duì)電容器進(jìn)行分組。通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償防止電氣化鐵路注入電網(wǎng)的諧波出現(xiàn)局部放大的問題。

6 對(duì)沿線風(fēng)電機(jī)組的影響情況

6.1 電壓降分析

電網(wǎng)正常方式下,電氣化鐵路正常和緊密運(yùn)行時(shí)引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)壓降情況如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)正常方式下電氣化鐵路引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)壓降情況

電網(wǎng)檢修方式下 (檢修線路為清昌甲線),電氣化鐵路正常和緊密運(yùn)行時(shí)引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)壓降情況如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)檢修方式下電氣化鐵路引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)壓降情況

6.2 諧波分析

電氣化鐵路正常及緊密運(yùn)行時(shí),引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)諧波情況分析如表7所示。

6.3 引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡度分析

電網(wǎng)正常方式下,電氣化鐵路正常和緊密運(yùn)行時(shí)引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡度情況如表8所示。

表8 電網(wǎng)正常方式電氣化鐵路引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡度情況

電網(wǎng)檢修方式下,電氣化鐵路正常和緊密運(yùn)行時(shí)引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)序電流情況如表9所示。

表9 電網(wǎng)檢修方式電氣化鐵路引起風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡度情況表

7 結(jié)論

a. 若普速列車運(yùn)行數(shù)較多、補(bǔ)償裝置未投情況下,存在三次諧波電流超標(biāo)情況。隨著秦沈線動(dòng)車不斷投運(yùn),普速列車SS9將逐步退出運(yùn)行,屆時(shí)諧波問題將更為嚴(yán)峻。

b. 電氣化鐵路牽引負(fù)荷,引起系統(tǒng)變電站各次諧波電壓含量及諧波電壓畸變率均滿足國標(biāo)限值。

c. 秦沈電氣化鐵路增容后,電氣化鐵路負(fù)荷由于三相不平衡而注入發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流占發(fā)電機(jī)額定電流的比值滿足國標(biāo)關(guān)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)序電流的限值要求。

d. 按最小短路容量計(jì)算電氣化鐵路牽引負(fù)荷在公共連接點(diǎn)處的三相電壓不平衡度,限值按短時(shí)不得超過4%計(jì),公共連接點(diǎn)三相不平衡度滿足限值要求。

e. 以昌圖變?yōu)槔?分析結(jié)果表明電氣化鐵路對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響較小,暫時(shí)不會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。隨著電氣化鐵路牽引負(fù)荷的不斷增大,風(fēng)電裝機(jī)容量及接網(wǎng)電壓等級(jí)的提高,這類影響將不斷增大,應(yīng)保持對(duì)這類問題的跟蹤研究。

[1] 周春曉.電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的分析 [J].機(jī)車電傳動(dòng),2007,48(2):29-30.

[2] 安 鵬,張 雷,劉玉田.電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響及對(duì)策 [J].山東電力技術(shù),2005,32(4):16-19.

[3] GB/T14549—93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.

[4] GB/T15543—2008.電能質(zhì)量三相電壓不平衡 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] GB755—2000.旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[6] GB/T12326—2008.電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.